了解音频设计中的音频频率范围

在创建音频系统时，无论是用于房屋、汽车还是嵌入式或便携式设备，成本、尺寸和质量之间总是存在平衡。质量有很多影响因素，但其中之一是系统重现所需整个音频频率范围的能力。本博客将讨论这些频率及其各种子集以及它们如何影响音频外壳的设计。它还将阐明何时需要不同的音频范围以及何时它们不在最终应用中。

音频频率范围是多少？
一般认为音频频率范围是 20 Hz 至 20,000 Hz，但大多数人能听到的声音少于这个范围，而且随着年龄的增长，这个范围的两端都会收缩。音乐和音频频率之间的关系是，每升高一个八度，频率就会翻倍。钢琴的最低音符 A 大约为 27 Hz，而最高音符 C 大约为 4186 Hz。除了这些基频之外，几乎任何能发出声音的东西也会产生谐波频率，这些谐波频率是高频的倍数，但振幅较低。例如，钢琴上 27 Hz 的“A”也会产生安静得多的 54 Hz 谐波，以及更安静的 81 Hz 谐波，等等。这些谐波对于想要准确重现原始声源的高保真扬声器系统非常重要。

音频子集
在 20 Hz 至 20 kHz 的音频频率范围内，有 7 个频率子集用于帮助定义在设计录音或回放系统时可能针对的范围。

频率响应图
一个很好的方式来了解扬声器，蜂鸣器， 或者麦克风可以重现这些不同频率的方法是使用频率响应图。一般来说，蜂鸣器的频率范围较窄，因为它们只负责输出可听见的音调，而扬声器的频率范围则更宽，可以重现声音和语音。

对于扬声器、蜂鸣器和其他输出设备，频率响应图上的 y 轴以 dB SPL 或声压级（粗略解释为响度）的分贝为单位。对于麦克风，由于它们是检测而不是产生声音，因此 y 轴测量的是 dB 灵敏度。在下面的示例中，请注意 x 轴是频率（对数刻度），由于 y 轴是 dB SPL，因此可以知道该图表适用于扬声器或其他输出设备。请记住，分贝也是对数的，因此 x 轴和 y 轴都是对数的。


频率响应曲线的示例图
该图表表示在不同频率下，输入功率恒定时将产生多少 dB 的 SPL。在这种情况下，输出相当平坦，在 70 Hz 以下急剧下降，在 20 kHz 以上下降较缓。这意味着，具有相同输入功率的音频设备将在 70 Hz 和 20 kHz 之间产生大致相同的声压级，但在这些边界之外产生的声压级将明显较小。

还有一些频率图，其峰值和谷值更加夸张，表明共振增强了输出，或者某些东西抑制了输出。使用 Same Sky 的CSS-50508N以扬声器为例，下图显示了更典型的扬声器曲线。从数据表来看，谐振频率为 380 Hz ±76 Hz，与第一个峰值相关，随后在 600 到 700 Hz 之间出现大幅下降。但是，它在 800 Hz 和 3 kHz 之间具有平坦响应。由于这款扬声器只有 41 mm x 41 mm，人们可以预料它不会再现较低频率以及较高频率，图表证实了这一点。设计工程师可以使用此信息来确保扬声器能够再现目标频率。


具有更典型的峰谷频率响应曲线的示例图
音频频率范围和外壳设计
现在已经介绍了音频频率的基础知识，音频频率范围如何影响外壳的选择或设计？实际上，音频范围以多种方式影响外壳设计。

扬声器和外壳的尺寸
较小的扬声器可以移动得更快，因此它可以更准确地产生更高的频率，同时减少不必要的谐波。在我们的博客中概述了设计微型扬声器外壳此外，更小的扬声器也意味着相应更小的外壳，从而节省空间和材料成本。

为了在极低频率下产生相同的 dB SPL，需要更大的振膜来移动足够的空气。这是因为移动足够的空气以匹配与更高音调相同的感知 dB SPL 本身就存在挑战。从积极的一面来看，较大振膜的重量增加在较低频率下并不是什么大问题，因为振膜移动得更慢。

谐振
大多数物体都有共振频率，即物体自然振动的频率。例如，当拨动吉他弦时，它会以其共振频率振动。如果你用吉他弦附近的扬声器播放共振频率，它会开始振动，并且振幅会随着时间的推移而增加。其他物体也会发生同样的现象，就音频而言，它会导致周围物体产生不必要的咔嗒声和嗡嗡声。我们的博客共振和共振频率更详细地介绍了该主题。

设计音箱时，需要确保音箱本身的自然谐振频率与预期音频输出不在同一个范围内，否则扬声器本身将产生非线性输出和不必要的谐波。同时，有时需要控制音箱的谐振或扩大谐振范围，具体取决于具体应用。

材料
扬声器和麦克风的设计是一种有趣的平衡，这些部件需要保持静止、需要弯曲，并且在移动时需要保持刚性。特别是对于扬声器，锥体或振动膜需要尽可能轻以快速响应，但也需要尽可能坚硬，以便它可以移动而不变形。Same Sky 扬声器最常用的材料是纸和聚酯薄膜。它们都非常轻且坚硬，但聚酯薄膜是一种塑料，还耐潮湿。还有将振动膜连接到框架的橡胶。这应该足够坚固以承受极端运动而不破裂，同时也要尽可能柔韧以不干扰锥体的运动。


典型扬声器结构图
麦克风材料也存在灵敏度、频率范围、坚固性和 SPL 范围之间的权衡。麦克风可以很简单驻极体或者MEMS 麦克风具有足够但有限的频率和灵敏度，但耐用性、小尺寸和低功耗要求。另一方面，使用薄金属带作为振膜的带状麦克风以其灵敏度和频率范围而闻名。作为权衡，它们非常脆弱，以至于它们不能用于许多打击乐器，也不应在没有盖子的情况下携带，以免振膜撕裂。Same Sky 确实提供驻极体电容和 MEMS 麦克风选项，宽工作频率覆盖 20 至 20,000 Hz 的整个音频频率范围。

除了不同材料的成本外，这些所需的权衡也因不同的音频范围而异。较低音域的扬声器不需要太担心锥体重量，但需要能够承受较大运动量的悬架。

外壳所用材料的类型也会影响共振和吸音效果。在设计外壳时，其主要作用是抑制异相后向产生的声音，工程师需要一种能够有效吸收声音的材料。这对于较难抑制的低频声音更为重要。

音频频率范围的最终设计考虑因素
值得注意的是，很少有系统和单独的扬声器和外壳能够提供保真度极高的全频音频。特别是，极端频率需要特殊的扬声器和外壳，但为了真正准确地再现，需要在每个范围内平衡扬声器，以产生最线性的输出。

由于频率不同，需要采用不同的设计和材料方法
不同频率的波形
其次，大多数应用不需要这种保真度，线性输出可能不是理想的结果。例如，一部手机只需要覆盖基本人声范围，即使将频率范围增加一倍或三倍以适应谐波，它仍然远远达不到 20 Hz 至 20 kHz 的范围。另一个例子是通知或安全应用，它们只需要在非常小的频率范围内发出嗡嗡声、颤音或尖叫声，但声压级各不相同。对于这些设计，蜂鸣器或警报器将权衡重点从频率范围转移到成本、尺寸、功率和响度是一个不错的选择。

最终，只有个人才能意识到他们的项目的全部约束，而权衡利弊的决定是成为工程师和设计师的重要组成部分。

结论
音频频率范围是扬声器、蜂鸣器、外壳和麦克风设计和组件选择中的一个重要部分，但并非唯一部分。对这一范围的基本了解、它在录音或复制应用中的含义以及它们与所有音频相关设备的物理限制和约束之间的关系将为设计过程提供参考。

了解音频设计中的音频频率范围

https://www.audioapp.cn/thread-227670-1-1.html

(出处: 音频应用)

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